动脉自旋标记（ASL）磁共振成像：基础物理、脉冲序列和建模

动脉自旋标记(ASL)是一种非侵入性磁共振成像(MRI)技术，它使用内源性动脉血作为动态示踪剂来量化器官的组织灌注。血流灌注描述了一个器官中给定体积的组织向毛细血管床输送和交换的动脉血水量，单位是 mL/100g/min。ASL常用于人脑，灰质脑灌注为70mL/100g/min，白质为20mL/100g/min。由于其非侵入性，ASL现在被更广泛地应用于其他器官，包括肾脏、肝脏、外周肌肉、胰腺和心脏。由于ASL不需要外源性造影剂，随着时间的推移重复使用是安全的，因此可以用来追踪疾病进展或药物治疗引起的灌注变化。本文发表在Advances in Magnetic Resonance Technology and Applications中。

12.2 基础物理

ASL技术是获取两幅图像，一张标记图像(label)和一张对照图像(control)。标记图像是在对流入感兴趣组织的血液旋转进行磁性标记(inverting)之后获得的，在不操纵流入血液的磁化的情况下采集对照图像(fully relaxed)。在标记流入的血液和获取图像之间允许较短的时间(称为反转时间[TI]或标记后延迟[PLD])，使得标记的血液旋转可以在与组织水交换之前的传输时间(Δt)内进入成像平面并穿过毛细血管。对照像减去标记像，产生灌注加权差异像(Fig.12.1.)。ASL信号变化通常表示为灌注加权差值图像ΔM和平衡磁化强度M0之间的分数比，并在量化之前转换为以mL/100g/min为单位的信号变化百分比。

Fig.12.1 大脑ASL动脉自旋标记示意图显示：

(A) (i)标记状态(红框，旋转倒转，用红色箭头表示)和对照状态(蓝框，旋转不倒转，用蓝色箭头表示)下流入血液的不同磁状态。流入的血液在短时间(称为反转时间[TI]或标记后延迟时间[PLD])后到达成像平面(绿框)中的组织；

(Ii)标记的动脉血水(红色)输送到大脑动脉和小动脉网络的图示。标记的动脉血将到达成像平面(绿框)，并在一段传输时间Δt内穿过微动脉网络到达毛细血管床，在这一点上标记的自旋与组织交换。

注：在血液通过血管系统的过程中，反转标记的血液将随着血液的纵向弛豫时间(T1b)恢复，而在与完全恢复的组织水交换时，它将随后与组织的T1恢复(T1t)。

(B)说明在每个持续时间(或TR)中标记和对照条件之间的交替简化脉冲序列图，每个周期之后是图像采集。

(C)为(i)大脑和(ii)肾标记和对照在给定TI/PLD处收集的图像和合成的灌注加权差值图像ΔM，其与组织灌注成正比。

ASL中信号变化的百分比取决于许多参数，而不仅仅是组织灌注。其他因素包括改变血液和组织纵向(T1)弛豫时间的磁场强度(B0)，以及用于血液标记的ASL方法，都会影响信号水平。将这些影响因素加入信号模型中，灌注加权差值像可以被量化以产生以mL/100g/min为单位的灌注图。

对于ASL标记方案来说，需要考虑成像区域中标记脉冲的磁化传递(MT)效应；如果不考虑这种影响，差异图像可能包含与灌注无关的信号。由于标记条件将血液反转到成像区域的远端，成像区域中结合水(例如大分子)中的质子可能处于开启或接近共振状态，因此被标记为脉冲扰动。当自由质子池和束缚质子池之间的磁化交换时，图像区域中的自由水信号可能会错误地看起来是来自流入血液的信号。为了确保这种MT效应不会反映在灌注加权差值图像中，应该收集与标记图像匹配的MT效应的对照条件。

12.3 ASL标记方法

ASL标记方法可分为三大类：脉冲动脉自旋标记(PASL)、连续动脉自旋标记(CASL)和伪连续动脉自旋标记(PCASL)。

12.3.1 脉冲动脉自旋标记(Pulsed ASL)

PASL使用绝热射频(RF)脉冲对容积进行反转标记。绝热反转脉冲可以在较大的标记区内获得相对一致的高反转效率(~98%)。许多PASL标签方案已经被提出，并带有几个相关的缩写；Fig.12.2展示了三种用于大脑ASL标记的常用方案及其标记板的位置。FAIR(流动敏感交替反转恢复)技术是最常用的PASL方法之一，由于其易于规划而被广泛用于大脑之外的其他组织灌注。在PASL中，通过对成像区域进行选择性翻转脉冲完成的；标记像是对大范围区域实施非选择性翻转。在STAR(靶向射频)中，标记像采集时对靠近成像平面的一片区域实施翻转，参照像则在标记区域相对成像平面的镜像区域进行翻转。PICORE中(近端反转控制偏共振效应)，标记像的标记方式与STAR相同，但是对于对照像，施加翻转脉冲时没有梯度场的存在。

基于FAIR的标记方法，非选择性面板大约为30 cm，而选择性平板通常比成像体积宽10-20 mm。对于非FAIR标记方法，标记面板通常具有15-20 cm的厚度，与成像体积具有1-2 cm的间隙(过渡区)，使得标记脉冲不会显著干扰成像体积中的磁化。

Fig.12.2大脑ASL的三种常见PASL标记方案：FIRE、STAR和PICORE。

该示意图以红色显示了每个方案的标记和对照的位置，以及成像体积的位置。在每个示意图下面是相关的脉冲序列图，显示用于标记/睡着条件的RF脉冲和切片梯度。最后的图像用箭头显示了流入血液的方向性，这对灌注加权差异图像有贡献。在FIRE方案中，非选择性反转平面和选择性反转平面分别用于对照和标记条件，使得灌注加权差分图像对双向血流敏感。在STAR中，标记和对照被贴在成像层下方，对照条件是由两个连续的180°脉冲产生完全放松的流入血液，从而导致单向血流对灌注加权差图像的贡献。对于PICORE方案，将反转平面应用于成像层下方，并且控制脉冲是非共振的，从而导致单向血流对灌注加权差值图像的贡献。

12.3.2 连续动脉自旋标记(Continuous ASL)

CASL是最早实现的ASL标记方式。CASL使用流驱动绝热反转技术，脉冲施加于成像层面下方较窄平面，可对垂直流入的动脉血液中的水分子进行标记。在大脑中，这个标记平面通过颈部的颈动脉定位(Fig.12.3)。在沿垂直流入方向施加恒定振幅的梯度场，同时施加小功率持续RF脉冲。当血液流经施加了射频场和梯度场的标记层面时，任何流经该区域的血液水分子都会发生磁场偏转。与PASL方案相比，CASL方案具有更高的信噪比(SNR)，但较长连续的脉冲导致射频能量在组织内大量沉积，增加SAR值和MT效应。标准CASL使用放置在头部上方的标记面的对照条件来匹配MT效果，但MT仅匹配到标记和对照面等距离的单层。为了克服这种潜在的误差，在对照条件下将余弦调制的RF脉冲放置在大脑附近。该脉冲使标记的血液反转，同时匹配标记平面上的MT效应。或者，可以使用小的专用颈部标记线圈，在成像体积中产生可以忽略的B1场，消除MT效应和对对照条件的需要。然而，这需要专用的硬件设备，临床扫描仪上的射频放大器往往无法产生长时间连续的RF射频B1场。

Fig.12.3 脑部ASL的连续ASL(CASL)方案图解。

该示意图显示灰色的标记面和红色的成像面。红色箭头显示了流入血液对灌注加权图像有贡献的方向性。在每个示意图下面是相关的脉冲序列图，显示用于标签/控制条件的RF脉冲和切片选择梯度。请注意，标记和对照条件之间的射频功率不匹配，导致错误的MT效应。

12.3.3 伪连续动脉自旋标记(Pseudo-continuous ASL)

PCASL能够利用CASL的高信噪比，同时克服其高SAR和MT效应。PCASL是ISMRM灌注研究小组和欧洲痴呆症ASL联盟推荐的大脑ASL研究的首选方案。通过血液选定平面时，PCASL模拟了血液自旋的流动驱动绝热反转。PCASL采用一连串持续时间短、间隔均匀的选择性RF脉冲，并在射频发射期间施加梯度波进行标记（Fig.12.4）。推荐用于大脑的PCASL的标记方案，使用900汉宁窗调制的20°RF脉冲，B1ave=1.5μT，持续时间为0.5ms，每隔1ms标记一次，持续时间为1.8s。使用这样的RF脉冲，PCASL比CASL具有更低的SAR和RF放大器占空比要求。PCASL反转可视为稳态自由进动(SSFP)脉冲序列。忽略弛豫效应，PCASL中重复汉宁窗调制RF脉冲的稳态纵向磁化强度(Mz)由以下公式描述：

α为翻转角，φ为PCASL脉冲序列中RF脉冲之间经历的相移。在PCASL序列中的连续RF脉冲之间的间隙中，切片选择梯度(GMAX)仅部分重新定相，导致在整个标记持续时间内应用平均梯度(Gave)。（Fig.12.4所示）。平均梯度起到增加PCASL序列中连续RF脉冲相位的作用，通过φ=γGaveTZ，其中γ为旋磁比，T为RF脉冲间隔，Z是标记平面相对于渐变等中心的位置。通过在PCASL标记方法中设置适当的参数，流入的血液在经过标记平面(通常是通过大脑ASL的颈动脉的平面)时被标记反转。对照条件是通过交替PCASL序列中的180°RF脉冲相位来实现的，从而产生零平均B1，同时将MT效应与标签条件的那些相匹配。

PCASL有两种标记方法，即平衡标记和不平衡标记，它们的梯度波形不同(如Fig.12.4所示)。在平衡标记中，标记和对照条件下的梯度下净面积均等于零。这种方法会导致涡流效应，但增加对可非共振效应敏感性，从而降低ASL灌注加权差信号。然而，平衡标记方法有助于血管区域成像，其中个别血管能够被选择性地标记。在不平衡标记方法中，标记条件下平均梯度具有非零净面积，而对照条件的平均梯度为零。这为非共振效应提供了更强的稳健性；然而，由于标记和对照条件使用了不同的(不平衡)梯度，因此每个条件都会经历不同的涡流。不平衡PCASL现在被推荐为首选方案，因为它对非共振效应具有稳健性。

建议在PCASL中使用的标记持续时间为1.8s，是基于ASL信号(随标记T1弛豫时间确定的标记持续时间增加)和标签持续时间超过血液T1递减(增加重复时间[TR]和射频能量沉积)之间的权衡。PCASL标记平面应相对垂直于供血动脉。标记位置可以使用血管造影或解剖标志来完成。对于大脑，标记平面通常放置在AC-PC线下方85 mm处，而对于体部ASL，标记平面通常通过主动脉放置。应该注意的是，由于肺和脊柱的接近，腹部PCASL的非共振效应可能是一个较大问题。同样，非共振效应在超高场下可能会有问题，那里的磁场变化可能会更明显；因此，最小化这种效应是一个较为活跃的研究领域。

Fig.12.4 大脑伪连续ASL(PCASL)方案图解。

该示意图显示灰色的标记面和红色的成像面。对灌注加权图像有贡献的流入血液的方向性用带红色的箭头表示。在每个示意图下面是用于平衡和不平衡PCASL方案的脉冲序列的一段，其中汉宁窗调制的RF脉冲用黑色表示，和切片选择梯度用射线表示，其中是RF脉冲持续时间，T是RF脉冲间隔，GMAX是切片选择梯度的幅度，Gave表示净平均梯度。对于标记条件，平均值B1(B1ave)是非零的，而对于对照条件来说，交替的极性导致零磁化（B1ave），使得流入的血液自旋的磁化是不反转的。在标记和对照条件之间匹配射频功率，以确保类似的MT效果。请注意平衡和不平衡PCASL之间的不同梯度方案。

12.3.4 速度选择性动脉自旋标记(Velocity selective ASL)

速度选择性ASL(VSASL)是另一种标记方法，动脉血水是基于其速度而不是其空间位置来标记的。使用速度选择性脉冲，施加速度截止VC，理论上所得到的灌注加权图像仅包含其速度满足标记条件的自旋。假设动脉树中的速度是单调递减的，ASL信号由f*T1给出，其中表示f表示灌注量，T1表示该体素的标记延迟。

12.4 采样策略

为了量化灌注，在标记之后，必须在给定延迟对ASL信号超时进行采样(见第12.8节)。请注意，对于PASL和CASL/PCASL方案，描述此延迟的术语不同。对于PASL，该时间的特征是标记RF脉冲之后的延迟，称为TI。对于CASL/PCASL，该时间由PCASL贴标签持续时间和PLD(PCASL贴标签序列结束和图像采集之间的时间)定义。文献中已经报道了几种标记方法来采集ASL灌注加权差值图像以量化灌注，将在下一节中概述。

12.4.1 单一TI和多重TI采样

捕捉动态ASL信号曲线的一种方法是在单个TI或PLD上采集ASL数据， ASL信号最大的变化出现在1.5-2秒。动脉血液被标记后，在采集图像之前等待一段时间，即TI/PLD，然后在对照条件下重复此过程之前，允许一段周期持续时间(TR)完全洗去标记的血液(Fig.12.1)。该标记/对照图像在TI/PLD处重复(通常是20-30个平均值)，以在ASL灌注加权差图像中提供足够的SNR。在多TI采样中，整个过程在几个不同的TI/PLD上重复，但是如果采集多个TI/PLD，可能导致较长的采集时间。在四个TI采集FAIR数据，如Fig.12.5所示。

Fig.12.5 显示PASL方案的多TI和多相或LL采样的示意图。

(A)多TI采样在多个TI的顺序运行中收集单TI数据。在单个标记脉冲之后，多相或LL采样收集所有数据时间点(TI1、TI2、TI3、TI4等)。ASL图像显示无血管破裂。

(B)ASL信号从重复单TI采样(蓝色)和多相或LL采样(绿色)的组织改变。还显示了动脉血液信号(红色)。注意，多相或LL采样的ASL信号低于多TI采样的测量结果，但多相采样的单位时间信噪比高于重复的多TI采样。

12.4.2 多相或Look-Locker(LL)采集

当在ASL信号曲线的峰值使用单个TI/PLD采集数据时，在标记图像和读出图像之间有较长未使用的时间。一种较有效的方法是在TR周期内的每个标记脉冲之后在几个不同的TI/PLD处收集多个图像读出（Fig.12.5）。这种方法被称为多相ASL，类似于Look-Locker开发的T1映射方法。由于血液标记和组织信号由每个读出调制，所以图像采集使用低翻转角度，每个读出间隔以增加稳态纵向磁化，从而增加ASL灌注信号。与多相ASL采集相比，单相ASL采集具有更高SNR，但多相采集的单位时间信噪比更高。多相采集允许在5分钟内采集整个数据，两个样本之间的时间分辨率约为300毫秒。然而，使用多相采集的数据来量化灌注需要详细的建模，以考虑对标记的血液和组织信号的复杂影响(见第12.9.3节)。

12.4.3 时间编码多PLD

对于PCASL来说，在的替代方案是可使用时间编码PCASL(TePCASL)来替代单PLD获取图像，其中PLD被编码到PCASL准备中。在时间编码的PCASL中，将总标记时间划分成多个短标记区块时间，PLD为某标记区块结束到图像采集的时间，在此期间PCASL条件在标记和对照之间切换。因此，每个获取的图像具有来自每个块的标记信号累加的不同贡献。可以通过编码图案对所获取的图像进行加减，提取来自各个块中的信号。时间编码的PCASL有几种改进，包括Hadamard编码方案、“免费午餐”方法和“T1调整”设计，在van Osch等人的文中对其进行了回顾。时间编码的PCASL比标准PCASL对运动更敏感，因为它需要多次标记/对照重复来解码任何图像。时间编码的PCASL最近已经与多相读出相结合，以提供具有全脑覆盖的高时间分辨率的ASL图像。

12.5 读出

在ASL信号曲线离散时间的单次激发中，ASL图像读出方案必须快速采样完整的图像体积。最常见的方法有2D-EPI和3D-GRASE。然而，收集多个2D采集可能会导致成像体积中每层实际TI/PLD发生变化，纵向弛豫可能会导致ASL信号的采样不佳，以及背景抑制不佳(见第12.6.2节)。Fig.12.6比较2D-EPI和3D-EPI采集方案来解释说明。同时多层成像技术(SMS)激励可用于加速2D多层读出的获取，从而降低TI/PLD中的可变性和不同层之间的背景抑制。对于大脑ASL成像中，由于其较好的SNR、在整个体积上均匀的PLD以及与背景抑制技术的兼容性，ISMRM/EU ASL灌注共识文件建议使用笛卡尔或螺旋堆叠3D读出。对于腹部ASL应用，例如在肾脏中，SE-EPI是2D单层和多层成像的首选读出方案，bSSFP和single-shot RARE被认为是2D单层替代方案，特别是对于高空间分辨率采集。

Fig.12.6 比较在7T下采集的2D-EPI和3D-EPI，以及TI为1700ms的FAIR标记方案。

(A)16层2D-EPI采集的读出持续时间为850ms，这导致成像体积各层的ASL信号有相当大的变化。此外，在5500ms和1200ms两个背景抑制(BGS)脉冲和饱和前/后静态组织信号的模拟表明，成像体积中较晚的切片的背景抑制将显著降低。

(B)相反，3D-EPI采集具有400ms的读出持续时间(具有两个方向的加速)，并且由于其3D特性，在切片上具有恒定的ASL信号和恒定的背景抑制。

通常，ASL采集使用较大的体素(in-plane为3-4 mm，through-plane为4-8 mm)来提高信噪比；然而，较大体素可能会对测量的组织灌注造成显著的部分体积效应。可以通过校正ASL信号的部分容积效应来减少后处理中的这类错误(参见第12.7.4节)。重要的是，单个灌注加权差值图像不能用于灌注定量；必须使用相同的读出方案在同一时段收集附加信息。灌注加权图像必须归一化到血液的平衡磁化强度(Mb,0)。该校正可以通过获取质子密度图像来执行，根据质子密度图像，通过考虑组织和血液中质子的相对密度，可以将组织磁化Mt，0转换为动脉血液磁化，该值被称为分配系数λ(对于大脑组织为0.9mL/g，对于肾组织为0.8mL/g)。此外，血液和组织T1值用于灌注定量，这些值基于获取数据时的场强。或者，可以在ASL数据采集时作为附加序列采集T1图像。在由于病理原因导致T1不均匀的病例中，如脑部肿瘤或整个器官组织的T1值可能发生变化的疾病中，T1的测量尤其重要，如因纤维化而导致的肾脏疾病中的T1升高。

12.6 ASL图像信噪比的提高

ASL测量通常受到低信噪比的影响，目前已提出不同的方法来提高灌注测量的SNR。

12.6.1 饱和前和饱和后方案

建议在标记和对照脉冲之前和/或之后刚好饱和成像，以最大限度地减少MT和/或切片轮廓效应带来的任何残留标签/对照差异。此过程作为背景抑制过程的初始步骤也很有用，如下节所述。

12.6.2 背景抑制

Ye等人建议使用背景抑制反转脉冲来减少与灌注无关的静态信号污染，且证明了使用背景抑制能够大大降低测量灌注信号的方差。背景抑制是通过施加一个或多个反转脉冲以使采集的图像中的静态信号为零来实现的(Fig.12.6)，因为只有灌注到成像组织中的血液才是感兴趣的。背景抑制脉冲的时间取决于感兴趣组织的T1，并且必须针对给定的感兴趣器官和场强进行优化。Fig.12.7显示背景抑制在肾脏ASL数据采集中的应用。

Fig.12.7 将背景抑制应用于3T肾脏ASL采集的实例显示：

(i)质子密度图像；

(Ii)使用两个背景抑制脉冲将静态控制和标签信号置零的背景抑制图像(注意在五个层的恢复)；

(iii)灌注加权差值图像。

12.6.3 血流毁损(Vascular crushing)

ASL实验的预期结果是测量组织灌注。然而，组织灌注信号可能会受到动脉血液的污染，特别是在TI/PLD时间较短的情况下。抑制动脉血的最简单方法是以长时间TI/PLD采集数据，使得标记的水质子已经从血液移动到组织隔室中。然而，对于通过时间标测和更准确的灌注定量，需要施加“血流毁损”或“血流敏化”。血流毁损的基本概念是清除动脉腔内的血液，动脉腔内的血液比组织腔内的血液灌流速度更快。可以通过在图像读出之前应用具有相等持续时间和大小但极性相反的两个波瓣的双极梯度来实现。对于以恒速运动的自旋，这些梯度会引起与速度成线性比例的相移。通过设置一个截止速度venc，超过这个值的自旋将被解除相位，只有速度低于这个速度的自旋才能在灌注加权图像中显示出来。Venc的计算公式如下：

γ表示旋磁比，δ为梯度的持续时间，G为梯度强度，△为梯度中心之间的距离。典型的venc为50 mm/s，消除来自动脉和小动脉的移动信号，同时保留了来自组织的信号(Fig.12.8)。必须注意的是，附加的血流损毁双极梯度的增加EPI回波时间的读出，并且并非所有读出方案都是可能的。

Fig.12.8 使用FAIR- ASL方案采集的轴位脑灌注加权差值图像，2D-EPI在800ms反转时间的读出。获得的图像(A)没有血流损毁，因此显示了较大的动脉供血，(B)血流损毁(Venc)为50 mm/s以抑制动脉供血。

12.7 ASL数据预处理

采集ASL数据后，可以使用标记图像与对照图像之间差值计算的简化分析来估计灌注加权图像。然而，在灌注定量之前数据预处理是很常见的。该预处理可以包括可选的减法、运动校正、离群值检测和部分容积校正，如下节所述。

12.7.1 减法

典型的ASL序列交替采集一些标记和对照图像(Fig.12.1)。灌注加权图像由成对标记和对照图像减影产生，平均之后产生单个灌注加权差值图像。对于感兴趣的灌注动态变化研究中，例如，当使用ASL研究脑功能时，既可以使用运行减法，也可以使用“最近邻”减法。在动态时间过程中，运行减影容易受到伴随BOLD(血氧水平相关)信号变化的影响，而“最近邻居”或环绕减影试图通过平均对照图像周围的两个标签来抑制BOLD加权和噪声变化。

12.7.2 运动校正

由于ASL是一种减法技术，照图像和标记图像之间的任何细微运动都会导致低质量图像数据。通常，运动伪影较常出现在明亮和黑暗的边缘，由于较差减法造成，这可能导致错误的低灌注或高灌注焦点或扩散区域。饱和前/饱和后和背景抑制方法可以帮助减少运动引起的伪影。但是，为了确保准确灌注估计，使用运动校正以重新对齐标记及对照图像（Fig.12.9）。这在易受头部不自主运动影响的患者群体中(如帕金森氏病或亨廷顿病)尤其重要，对于呼吸诱导运动可能导致显著伪影的腹部ASL患者来说，这一点也尤为重要。

Fig.12.9 ASL灌注加权图像(A)显示标记和对照之间的头部运动，其中不好的减影会导致明亮和暗边以及增强的伪影，以及(B)运动校正后。

12.7.3 离群值检测

由于ASL信号很低，一个标记-对照的离群值可能会显著改变样本均值，并产生不准确的灌注估计。离群值是由运动引起的减法误差引起的常见伪影。一种方法是手动删除数据集中离群值大的标记-对照图像。或者，可以通过从灌注加权图像的均值和标准差识别离群的标记-对照图来抑制异常值。或者，可以使用Huber M-estimator从ASL数据集中删除异常值，以抑制异常值的统计影响。

12.7.4 部分容积效应

由于部分容积效应，灌注图通常包含各种组织类型的信息。为了估计给定组织类型的灌注，需要附加的结构图像来确定每种组织类型的体积。例如，在大脑中，灰质和白质都可能影响在单个体素内检测到的灌注信号。人们已经提出了各种方法来分离灰质和白质的灌注信号，值得注意的是Asllani等人的线性回归方法。该算法通过体素中白质/灰质分布的组织体积分数来量化灌注加权。

12.8 ASL动力学建模

为了将灌注加权差值图像(△M)转换为定量灌注图，需要一个结合灌注动力学和纵向弛豫的ASL生理模型。灌注加权差值图像和组织灌注之间的关系取决于组织的质子密度、组织和血液的纵向弛豫时间(T1)、标记平面和感兴趣图像体积(△t)之间的传递时间以及标记持续时间(τ)。模拟ASL信号的方法主要有两种：隔室模型和示踪动力学模型。隔室模型测量不同图像组织中标记自旋的浓度。这些模型使用修正Bloch方程形成一组微分方程，描述由于弛豫和交换过程导致的组织间内标记自旋的变化率(见第12.8.1节)。示踪动力学模型提供了测量时仍在体素中的标记血原始浓度分数的数学描述(见第12.8.2节)。

12.8.1 用修正Bloch方程建立单室模型

第一个也是最简单的PASL血流灌注定量模型被提出。这个模型做了以下假设：

(1)单个混合良好的隔室，称为组织隔室；

(2)标记的血液立即到达组织(因此到达毛细血管床的时间为零△t)；

(3)标记水是一种可扩散的示踪剂，一到达组织就进入组织，以及(4) 组织和动脉血T1值相等。

使用修正Bloch方程对该方法进行改进，使其更精确建模，该方程包含了流动依赖输送和清空项：

Mt,0是平衡组织磁化强度，Mt(t)和Mb(t)是随时间变化的组织和动脉纵向磁化强度，T1是组织的纵向弛豫。λ是组织血液分配系数，定义为每毫克组织含水除以每毫升血液含水，假设取值为0.9mL/g。修正Bloch方程可以在三个时间段内求解：动脉血到达之前的时间，0<t<△t；动脉血到达后至标签结束前的时间，△t<t<τ+△t；标记结束后的时间，t>τ+△t，从而产生下一节中提到的解决方案。

α是标记效率（理想标记反转时取值为1）。该模型产生了Fig.12.10所示的ASL信号曲线。通过对归一化平均灌注加权图像（△Mt(t)）的每个体素拟合到该曲线，灌注图f，动脉通过时间△t，标记持续时间τ可由α，λ和T1b计算得到，额外扫描T1t和Mt,0的测量值(参见第12.5节)。

Fig.12.10 (A)标记血液在动脉传输时间△t之后与标记持续时间τ一起灌注到成像平面的PASL方案的图示。

(B)模拟产生的PASL信号，假设灰质组织灌注量为60 mL/100 g/min，组织T1为1.65 s，血液T1为1.45 s，动脉到达时间为△t = 0.3 s，标签推注时间为τ=1.5 s。注意，ASL信号的变化以百分比变化表示。

12.8.2 示踪动力学模型

或者，也可以使用示踪剂动力学模型来计算灌注，例如Buxton等人提出的一般动力学模型，其中假设一组标记的血液自旋穿过血管系统。标记图像和对照图像之间的磁化差异(△M)由卷积积分来描述：

Mb,0表示动脉血体素的平衡磁化强度，c(τ) 描述到达体素的动脉磁化标准化动脉输入函数(AIF)，r(t-τ) 描述体素中标记质子分数的剩余函数，m(t-τ) 描述纵向弛豫效应的磁化弛豫函数。标记体素需要△t才能到达感兴趣组织，称为标记持续时间τ（Fig.12.11）。

Fig.12.11 Buxton等人提出的一般动力学模型示意图。对于(A)PASL方案，其中标记血液在动脉传输时间△t之后流入成像平面，标记持续时间为τ，以及(B)显示所产生的动脉输入函数、衰减的组织磁化和由于流出而导致的磁化损失。

对于PASL方案，可以使用以下方法求解一般动力学模型：

求解卷积积分量，

此解等同于求解单室模型的微分方程(第12.8.1节)，并产生如Fig.12.10所示的ASL信号曲线。同样，通过将归一化平均PASL灌注加权图像(△Mt(t))的每个体素拟合到该PASL信号曲线，可以使用α，λ，T1b的假设值和拟合中针对T1t, Mb,0的附加扫描的测量值来生成灌注f、动脉通过时间△t和标记持续时间τ(见第12.5节)。

PCASL方案的一般动力学模型可以用以下公式表示：

求解卷积积分可得到PCASL信号曲线的以下解：

12.9 灌注定量

为了将灌注加权差值图像(△M)转换为定量灌注图，需要一个结合灌注动力学和纵向弛豫的ASL生理模型。灌注加权差值图像和组织灌注之间的关系取决于：组织的质子密度、组织和血液的纵向弛豫时间(T1)、标记平面和感兴趣图像体积(△t)之间的传递时间以及标记持续时间(τ)。模拟ASL信号的方法主要有两种：隔室模型和示踪动力学模型。隔室模型测量不同图像组织中标记自旋的浓度。这些模型使用修正Bloch方程形成一组微分方程，描述由于弛豫和交换过程导致的组织间内标记自旋的变化率(见第12.8.1节)。示踪动力学模型提供了测量时仍在体素中的标记血原始浓度分数的数学描述(见第12.8.2节)。

12.9.1 利用单TI/PLD采集的数据进行灌注定量

计算灌注图最简单的方法是在单个TI/PLD时间采集灌注加权图像，这样可以在短扫描时间内获得多个平均值。

然而，如果TI/PLD比τ+△t短，则可能会造成严重的血流灌注低估。需要注意的是，使用较长的TI/PLD可降低此类错误的风险，但这必须与T1衰减造成的标记丢失和噪声增加相平衡，因为在给定扫描时间内采集的平均值较少。

要使用单TI采集获得灌注的量化值，必须知道标记持续时间。PASL产生未知且相对较短时间的标记区域，可能导致灌注测量中的错误。与PASL方案结合使用的是QUIPSS-II(单次剪影量化灌注成像二代)。该方法包括应用平板选择性饱和脉冲来截断标记持续时间，去掉标记持续时间的尾端。另一种选择是使用Q2TIPS技术(Q2TIPS薄层TI1周期性饱和脉冲)，其中在反转脉冲之后的TI1施加饱和脉冲以破坏标记部分的尾端，从而有效地将推注持续时间设置为等于TI1。

如果单次测量是在标记体素完全进入组织之后进行的(即，当 t>τ+△t，Fig.12.10)，信号不再依赖于到达时间，灌注量f可以从以下公式得到：

为了将减影ASL图像(△Mt)的信号缩放到绝对灌注单位，需要完全放松的血液旋转信号强度。这是在使用血液(T1b)的假定T1值的同时，通过λ(组织的信号强度与血液的信号强度)在逐个体素的基础上缩放单独获取的质子密度图像(Mt，0)来计算的。α是标记效率，系数6000是将单位从mL/g/s换算为mL/100g/min。

12.9.2 利用多TI/PLD进行血流灌注定量

如果在TI/PLD值范围内连续采集多个ASL图像，则每个TI/PLD处的ASL图像(△Mt)可用于符合修正Bloch方程(参见第12.8.1节)或一般动力学模型(参见第12.8.2节)的最小二乘模型。多TI/PLD数据可以估计灌注f和传输时间△t，这本身可能反映潜在生理机制。此外，由于标记持续时间τ在这样的模型中也可以是自由参数，可以减轻与可变标记持续时间相关的问题。或者，贝叶斯推理方法可以用于动力学模型反演，例如FMRIB软件库(FSL)中的BASIL(动脉自旋标记MRI的贝叶斯推理)。Fig.12.12显示在健康受试者和阿尔茨海默病患者中由多TI产生的灌注图例子，结果表明灌注减少，通过时间增加。

Fig.12.12 阿尔茨海默病患者(67±6)和年龄匹配的健康受试者(64±8岁)在7T使用多TI (400, 700, 1000, 1300, 1700 和2000 ms)FAIR采集的灌注f和传输时间△t，3 mm各向同性和2DGE-EPI血管毁损读出读数。整个大脑都可以看到f和△t的局部变化，这反映了标记所遵循的不同路径。注意AD患者的血流灌注减少和传输时间延长。

使用多TI/PLD构成了寻找最佳TI/PLD的实验设计问题，一些研究试图解决这一问题。如果不对多TI/PLD数据进行血流抑制，在短TI/PLD的主要血管区域，标记的动脉血会有明显的信号（<1s）。这可以通过在分析中增加第二个动脉成分来解释，从而允许计算动脉脑血容量(aCBV)。

12.9.3 使用多相或Look-Locker采样进行灌注定量

在使用多相采样方案在给定周期持续时间/TR内采集多个TI/PLD数据的情况下(参见Fig.12.5)，可以使用更复杂的三室建模方法(Fig.12.13)。这种模型包括：隔室1-位于成像体积外的动脉血液；隔室2-成像体积内的动脉血液；隔室3-毛细血管床中的血液与组织交换。这个三室模型允许对动脉血液和组织磁化的演变进行逐步的时间分析。标记血液到达成像c层的时间，读出脉冲对微动脉血液和组织磁化的影响，以及短重复时间内血液和组织磁化不完全恢复的自旋历史效应，都可以通过拟合该模型每个时间点的灌注加权图像来产生更准确的组织灌注体素测量。

Fig.12.13 一种三室模型，用于在多相FAIR-ASL数据中定量灌注。

1室(C1)-位于成像体积外的动脉血液，其前沿有到达成像切片的时间(通过时间)△a；

2室(C2)-成像体积内的动脉血液在δ时间内穿过小动脉；

3室(C3)-经过一段时间后到达毛细血管床的血液和组织，然后与组织交换。

9.4 血流灌注定量方法的比较

使用单TI采集进行灌注定量具有扫描持续时间短的优点，但也有一些局限性。单TI量化通过充分延迟采集时间点来解释未知的传输时间△t，但是每当传输时间较长时(如在许多病理条件下)，对△t降低的灵敏度可能会受到影响。此外，考虑到传输时间△t延长所需的较长的TI/PLD，也会显著限制灌注加权差值图像的信噪比。

多TI采集测量ASL信号的差异时间进程，解决了前面描述的单TI方法的问题。然而，这些数据收集起来更加耗时，并且必须符合灌注定量的模型。先前在第12.8节中描述的两个ASL模型允许估计灌注f、传输时间△t和标记持续时间τ。在这两个ASL信号模型中，假设标记血液突然同时到达成像区域(均匀推流)，其中标记血团块的前沿和后缘采用锐边阶跃函数的形式。然而，使用通用动力学模型，可以通过用更平滑的输入函数替换c(τ)来生成更真实的标记到达，该输入函数解释了当标记血液以不同长度和不同速度穿越不同长度的路径时到达时间的分布特性。

多相数据提供了一种替代多TI对ASL信号曲线进行采样的方法，其优点是采集时间短，符合临床工作流程。然而，由于需要对多个隔室建模，以及LL采集中的读出如何改变信号演变，多相灌注定量具有额外的复杂性。

12.10 ASL的应用

ASL主要应用于神经科学领域，并已开始用于临床脑成像。Wolf和Detre强调了ASL灌注成像在中风、血管畸形、中枢神经系统肿瘤、癫痫以及阿尔茨海默病等退行性疾病研究中的益处，如Fig.12.12。除了形成单灌注图，还可以通过分析ASL在任务期间的灌注时间进程来研究大脑激活，以直接评估伴随神经元激活的灌注变化。

ASL现在正被更广泛地应用于大脑之外的其他组织，大量研究将ASL应用于肾脏，如Fig.12.14，由于需要限制肾损伤受试者使用含钆造影剂而需要测量血流灌注的器官。鉴于最近的技术发展，现在有可能将ASL应用于广泛的其他应用，包括低灌注的器官，如前列腺，胰腺，以及肝脏和外周肌肉。

Fig.12.14 (A)使用FIRE-ASL在肾脏收集的多相ASL示例。(B)由灌注加权差图像生成的传输时间图和灌注图，以及从对照图像得出的T1图。

12.11 总结

总之，ASL是定量绘制组织灌注的非侵入性方法。存在几种ASL标记方法和相关的缩略语，本章包括最常见方法，采样策略和图像读出的概述。介绍了ASL数据量化灌注图所涉及的步骤，包括预处理方法和动力学建模。本章为读者提供了一个大纲，以便在他们选择器官中进行ASL研究时，在获取和分析方面做出更明智的选择。